第一篇：钛合金在船舶海水管系的应用

钛合金在船舶海水管系的应用

船舶海水管路是船舶推进保障系统、发电机保障系统和辅助系统的重要组成部分，对保障船舶动力装置、辅助机械和设备的正常工作具有重要作用。管系的漏损对船舶的影响近次与主机，占第二位。

多年以来，我国的船舶海水管系以铜制设计为主，从202_年以来，耐腐蚀性能优良的B10合金替代原来的紫铜在船舶海水管系中大量应用，大大改善了我国船舶海水管系的腐蚀破损问题。但随着我国远洋战略的实施和船舶行业的发展，海水管系的腐蚀问题依然严峻。B10合金的极限设计流速为3.6m/s，无法满足现代船舶高海水流速的要求。B10合金海水管路设计时不同海水系统对应有不同的流速限制，而部分管道关闭造成局部管道实际流速超出设计流速的情况时有发生。另外在海水管系方向发生改变的部位，管路内海水实际流速通常也会超出设计流速。同时，随着世界经济的发展，工业对海水造成的污染也不断加剧，对海水管路的耐腐蚀性能提出了更高的要求。以上几种情况导致海水管系的腐蚀问题依然突出。

钛合金具有优良的耐海水腐蚀性能，被称为“海洋金属”。具有低比重、力学性能优良等特点。同时钛合金具有优良的耐冲刷腐蚀性能（见图1），作为海水管系使用，服役期限不少于40年。

图1 不同海水流速下材料耐腐蚀性能

由于钛合金同时具有较高的强度，可以使管材的壁更薄，从而减轻管系的重量。世界各国都非常重视钛合金在海水管路上的应用研究工作。俄罗斯和美国已成功将钛合金应用于各类动力的潜艇、水面舰船。如美国海军对薄壁钛合金管从费效角度进行评价，作为水面舰船海水管系的候选管材，钛合金可以减轻管路的腐蚀和冲刷破坏，但钛合金与其它材料的电偶不匹配，材料之间的电绝缘造价较高。

钛合金在海水中的腐蚀电位较高，容易造成与之相连的其它金属的加速腐蚀，因此，钛合金在海水管路中使用时，必须加强电绝缘防护。以避免海水管系中、海水管系与船体间的电偶腐蚀发生。通常采用的方法是电绝缘连接，即用各种惰性材料（包括密封材料）制成垫片、套管，插入法兰连接中，使两法兰阴极之间的导电通路被断开。近年来，钛合金的绝缘防护技术不断发展，如热氧化、阳极氧化、微弧氧化等技术已有较好的技术积累和应用经验。这些新技术的发展和应用为钛合金在海水管路的应用提供了有力的技术支持。

钛合金具有良好的生物兼容性，在海水管系的应用时，易生长海生物造成管径减小，甚至堵塞（如图2），从而影响系统运行。针对这一问题，国内已有单位开展系统的研究工作。目前常用的有涂防污漆、电解铜铝防污和电解氯气防污等手段。因目前国内采用钛合金海水管系的船舶较少，以上几种方法的应用实践较少。其中电解氯气防污在滨海电厂的钛合金管路得到较多应用，使用效果良好。

图2 被海生物堵塞的钛合金管路

钛合金在海水管系的应用是一个系统的工程，除了管材材料规格齐全和电绝缘技术成熟，还要有防污技术、泵阀、管件材料制备技术、成熟的焊接技术等配套产品的工艺技术储备。目前，国内已制备了钛合金管件的国标和船用标准，也有部分厂家具备了多种规格钛合金管件的供货能力，国内船舶海水管路中采用钛合金阀门的型号仅有很少的小型船只，应用经验较少，相关的设计和研究工作开始也较晚，尚无法为大规模应用提供足够的技术和供货保障。钛合金海水管系所需的焊接技术已经比较完善，可以满足几乎所有工况的应用。

总之，钛合金是船舶海水管系材料未来的发展方向。目前国内相关应用经验较少，材料配套能力尚需进一步提升。

第二篇：超塑性钛合金在航空航天领域的应用

石河子大学机械电气工程学院 机械工程材料•新型材料课题论文

课题论文题目： 超塑性合金在航空航天领域的应用

姓 名： 刘萍

学 号： 2011509291 院系专业班级： 机械电气工程学院11机制

（二）班 联 系 电 话： *** 指 导 教 师： 魏敏 填 表 日 期： 202_年12月8号

《机械工程材料》课程组 202_年11月26日

超塑性钛合金在航空航天领域的应用

摘要：钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、耐高温等优良性能，在航空航天、舰艇、化工等领域得到日益广泛的应用。阐述了航空航天用钛合金盘件的研究现状，重点介绍了高性能钛合金盘件的制备工艺，包括粉末冶金热等静压成形和超塑性等温锻造成形。分析了钛合金盘件在航空航天领域的应用现状，并探讨了航天航空用钛合金盘件的发展趋势。

关键词：钛合金；超塑性；超塑性成形；扩散连接

1，超塑性合金的定义：

超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1982年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。根据金属材料的结构和变形条件(温度、应力)，可超塑性合金大致划分为微晶超塑性合金，相变超塑性合金2大类。由于钛合金在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用。

2，钛合金的结构特点：

钛合金的结构特点决定了它们不仅有良好的高温强度，较好的抗氧化性和抗腐蚀性，而且密度较小，因此是理想的航天和航空材料。当前世界上研究较多的钛合金有TiAl、Ti3Al等。然而，这些材料的室温塑性和韧性一般较差；加工性能较差。在其主要优点不受很大损失的前提下，改善其塑性、韧性及加工性。而实现这些目标的主要措施是添加合金元素以形成塑性较好的第二相，超塑性钛合金的实现一般还需要通过一定的形变热处理以得到等轴细晶显微组织。近年来的研究结果已经表明，钛合金可以获得很高的超塑性水平——Ti3Al合金的伸长率超过1000%；TiAl合金的伸长率达470%。发展起来的超塑成形技术，改善了钛合金难以成形的状况，因而充分发挥了钛合金的优势。超塑性钛合金正以它们优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。

3，超塑性成形工艺：

超塑性成形工艺主要包括了气胀成形和体积成形两类。超塑性气胀成形是用气体的压力使板坯料（也有管坯料或其他形状坯料）成形为壳型件，如仪差壳、抛物面天线、球型容器、美术浮雕等。气胀成形又包括了Female和Male两种方式，分别由图1和图2表示。Female成形法的特点是简单易行，但是其零件的先帖模和最后贴模部分具有较大的壁厚差。Male成形方式可以得到均匀壁厚的壳型件，尤其对于形状复杂的零件更具有优越性。

超塑性气胀成形与扩散连接的复合工艺（SPF／DB）在航空工业上的应用取得重要进展，特别是钛合金飞机结构件的SPF／DB成形提高了飞机的结构强度，减少了飞机重量，对航空工业的发展起到重要作用。

超塑性体积成形包括不同的方式（例如模锻、挤压等），主要是利用了材料在超塑性条件下流变抗力低，流动性好等特点。一般情况下，超塑性体积成形中模具与成形件处于相同的温度，因此它也属于等温成形的范畴，只是超塑性成形中对于材料，对于应变速率及温度有更严格的要求。这种方法利用自由运动的辊压轮对坯料施加载荷使其变形，使整体变形变为局部变形，降低了载荷，扩大了超塑性工艺的应用范围。他们采用这样的方法成形出了钛合金、镍基高温合金的大型盘件以及汽车轮毂等用其他工艺难于成形的零件。

4，超塑性成形及扩散联接（SPF/DB）：

超塑性成形及扩散联接（SPF/DB）是航空领域多年来重点发展和应用的一种近无余量先进成形技术。通过在一次加热、加压过程中成型整体构件，不需要中间处理，能有效减轻结构重量和提高材料利用率，可为设计提供更大的自由度，具有广阔的应用前景。

基本原理是：利用金属及合金的超塑性和扩散焊无界面的一体化特点，在材料超塑温度和扩散焊温度相近时，采用吹胀或模锻法在一次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接两道工序，从而制造高精度复杂的大型整体构件。该技术具有以下特点：

（1）成形压力低/变形大而不破坏（2）外形尺寸精确，无残余应力和回弹效应（3）节省装备，缩短制造周期

（4）改善结构性能，提高结构完整性，延长机体寿命（5）降低制造成本，减轻结构重量

从以上特点分析，SPF/DB简化了零件制造过程和装配过程，减少了零件（标准件）和工装数量，消除大量连接孔，避免了连接裂纹及疲劳问题，有利于提高结构耐久性和可靠性，尤其适合于加工复杂形状的零件，如飞机机翼、机身框架、发动机叶片等。对于钛合金，SPF/DB解决了钛合金冷成形和机加工难的缺点，促进了钛合金整体构件的使用（如图3），相对常规金属结构，夹层结构具用足够的疲劳强度、良好的塑性和断裂韧性。英国、美国是世界上开展SPF/ DB 技术研究及应用较早的国家，目前已建立了专业化生产厂，如英国TKR 公司、罗罗公司、Superform 公司和美国RTI公司等都具有很强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。另外，法国、德国、俄罗斯以及日本对钛合金SPF/ DB 技术也进行了大量研究和应用，具备了较强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。国外SPF/ DB 钛合金结构件在飞机上的应用广泛（见图4），如民机A300、A310/ 320的前缘缝翼收放机构外罩，减重10%，A330、A340机翼检修口盖、驾驶舱顶盖、缝缘传动机构等采用SPF/DB结构，减重46 %，技术经济效益显著。此外，A380飞机吊舱舱门结构采用了SPF/DB工艺。国内开展钛合金SPF/DB研究已多年，已逐渐用于主承力结构，取得了一定的减重效果和经济效益，图5为某飞机TC4钛合金SPF/DB腹鳍结构，已通过了全尺寸静力试验考核，结果证明满足设计要求，成本降低16％，减重11％，但国内还未开展该技术在民机上的应用。

SPF/DB在国外已比较广泛的应用于军民用飞机，显示出巨大的技术经济效益，但在国内还处于应用初期，没有充分发挥这一技术的优势。针对民用飞机使用要求、主要结构特点等，要实现该技术的工程化成熟应用，需要尽快开展以下研究工作：

（1）SPF／DB结构设计技术，目前，SPF/ DB 技术多用于层板结构，这种板结构在强度方面存在不足。因此，应大力发展体积成形与扩散连接结合的新型SPF/ DB 构件。

（2）SPF/ DB制造控制技术，包括成形过程组织演变和变形机制，工艺过程控制与加工过程自动化，结构完整性及应力与变形控制，实现组织与性能匹配。（3）SPF/ DB质量评估与检测技术，建立设计用性能数据库，研制低成本检测技术，提高检测精度，制定质量控制程序和检验标准。

（4）SPF/ DB结构静力与疲劳考核验证，以适航标准为依据进行符合性验证，确保民用飞机安全可靠使用。

5，高性能钛合金盘件的研究现状：

对于航空航天用发动机压气机盘、涡轮盘等转动部件，不仅要求具有良好的高温热强性，还要求在高温条件下有优良的抗疲劳性能和长期使用的可靠性。因此，制备高性能钛合金，要综合考虑合金成分、热加工工艺、组织与性能及可加工性等因素。只有制备洁净度高、成分和组织均匀的铸锭，并在先进涡轮盘锻压技术和热处理工艺的配合下，才能保证钛合金盘件流线形态的完整性、盘件组织的均匀性和性能的高可靠性。目前制备高性能盘件的主要方法有超塑性等温锻造成形工艺和粉末冶金热等静压成形两种，这两种方法各有特点。

粉末冶金钛合金盘件在热处理时，盘件内部存在温度梯度，会产生较大的残余热应力。这些残余应力对盘件保持完整性和机加工性能的影响很大，当局部残余应力足够大时，盘件就可能开裂。而小的残余应力，也会影响盘件的加工性能，如加工变形等。因此，粉末冶金钛合金盘件的热处理工艺极为关键。对于大规格高性能钛合金盘件，由于钛合金导热率低，盘件规格较大，不同部位存在较大的温度梯度，容易造成组织和性能的不均匀性，则主要采用等温超塑成形的方法。

超塑性等温锻造是利用钛合金在高温及低应变速率下材料具有异常好的塑性及变形抗力低的特点发展起来的一种锻造方式。通常采用近卢或准卢热模锻造两种锻造方式。这种新工艺能获得尺寸精确度高、组织均匀、性能稳定、形状复杂的高精度锻件，而且可用小吨位的液压机锻造大型锻件，来提高材料的利用率和减少切削加工量。等温锻造有以下特征：①在整个锻造过程中，锻模与锻件始终保持在同一加工温度；②锻造速度很慢，应变速率很小；③为防止氧化，锻模与锻件有时需置于真空或惰性气体环境中。等温锻造可通过控制加工温度、应变率、变形程度等来控制微观组织，以实现组织优化的目标。结合优化的调质热处理制度，使钛合金的组织和性能满足不同零部件的应用需求“。等温锻造的薄壁钛锻件具有良好的拉伸强度和综合性能，是用于宇航加工中最经济且简易的成形方法。

参考文献

[1] 刘树桓.英国超塑成形扩散连接技术的现状及特点.航空制造工程, 1994 [2] 王向民等.钛合金SPF/DB技术在航空工业中的应用.钛工业进展, 1998, No1 [3] 白秉哲等.美国超塑成形技术及应用.航天技术与民品, 1999, No1 [4] 超塑成形/扩散焊接组合工艺数值模拟初探.南京航空航天大学学报, 1999, Vol31, No3 [5 ] 李曙光等.国外先进制造技术与装备应用现状分析.航天制造技术, 202_,Vol6,No3 [6] 李志强等.超塑成形/扩散连接技术的应用与发展现状.航空制造技术, 202_, No11 [7] 于卫新等.材料超塑性和超塑成形/ 扩散连接技术及应用.材料导报, 202_, Vol23,No6

第三篇：风能在船舶上的应用

新能源新技术在船舶上的应用

——风能技术在船舶上的应用

摘要

世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。然而，由于这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，同样对于航运业也是个致命的冲击。因此节能减排成为热门的世界议题。各大航运企业纷纷加大对新能源的研究，考虑如何开发出新型能源以解决面临的化石能源危机问题。风能以其自身各种优势成为很多研究机构都在探讨风能在船舶上的应用问题。本文就风能在船舶上的应用问题进行了介绍与分析，主要在以下几个方面作了讲述：

一、课题研究的背景和意义。

二、风能在船舶上应用的发展历史与国内外风能在船舶上应用的现状。

三、风能在船舶上应用的方式与方法。

四、风能在船舶上应用的技术路线。

五、风能在船舶上应用所存在的难点和关键技术。

六、风能在船舶上应用的创新之处。

七、风能在船舶上应用预期的效益。

关键词：风能、船舶、节能、效益

一、课题研究的背景和意义

地球上可供人类使用的化石燃料资源是有限和不可再生的。据联合国能源署报告,按可开采储量预计,煤炭资源可供人类用200年、天然气资源可用50年、石油资源可用30年。特别是近几年世界燃油价格不断飙升,能源危急日趋严重。在此情况下,风能的利用将可能改变人类长期依赖化石燃料和核燃料的局面。风能是一种无污染的可再生资源,它取之不尽、用之不竭,分布广泛。随着人类对生态环境的要求和能源的需要,风能的开发日益受到重视,风力发电将成为21世纪大规模开发的一种再生清洁能源。在自然界中，风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源，可以再生，永不枯竭，分布广泛，遍布世界各地，清洁能源，没有污染。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。

我国早在两千多年前就开始利用风来驱动帆船航行，至少在一千七百多年前已开始利用风来推动风车做功。人类利用风的历史：人类利用风能的历史可以追溯到公元前，我国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面和利用风帆推动船舶前进。东汉刘熙在《释书》一书中曾写“帆泛也，随风张幔曰帆”，表明中国1800年前已开始利用风帆驾船。宋朝是我国应用风车的全盛时代，但是流行的垂直轴风车一直沿用至今。

在国外：公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。10世纪伊斯兰人用风车提水，11世纪风车在中东已获得广泛的应用。13世纪风车传至欧洲，14世纪已成为欧洲不可缺少的原动机。在荷兰，风车先用于莱茵河三角洲湖地和底湿地的汲水，以后又用于榨油和锯木。只是由于蒸汽机的出现，才使欧洲风车数目急剧下降。1973年石油危机以后，常规能源告急，全球生态环境恶化，风能发展，对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义

• 美国早在1974年就开始实行联邦风能计划。其内容主要是：评估国家的风能资源；研究风能开发中的社会和环境问题；改进风力机的性能，降低造价；主要研究为农业和其他用户用的小于100kw的风力机；为电力公司及工业用户设计的兆瓦级的风力发电机组。目前美国已成为世界上风力机装机容量最多的国家，超过2X104MW，每年还以10％的速度增长。现在世界上最大的新型风力发电机组已在夏威夷岛建成运行，其风力机叶片直径为97.5m，重144t，风轮迎风角的调整和机组的运行都由计算机控制，年发电量达1000万kw•h。根据美国能源部的统计至1990年美国风力发电已占总发 电量的1％。风能有悠久的利用历史，如何借鉴以前的经验结合现如今的先进技术把风能更好的利用在船舶上面成了一个至关重要的问题。新能源和再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济的可持续性发展。根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。在21世纪，能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力、国家文明发展程度和人民生活水平的重要指标。在航运业，绿色船舶已成为未来船舶发展的方向，其中研究利用清洁能源船舶辅助系统最具有革新性和代表性。其将充分利用风能、太阳能以及波浪能等零污染或可再生能源，为船上设施提供相对独立的能量来源，在降低除暴发电机或主机能耗的同时保证船舶的正常航行。风能是比较容易开发的新能源，全球范围内都分布着比较丰富的风力资源，将风能应用在船舶上便成为人们研究的热点。首先，风能的利用有着悠久的历史和丰富的经验；其次，风能是取之不尽用之不竭的自然能源。风能主要是通过布置在船舶上的风帆借助风的能量，在保证船舶各项性能稳定的条件下，从而推动船舶前进。因此，对于我国这样一个能源短缺的发展中国家来说，将风能等新能源应用在船舶上有着重要的意义和深远的影响。

二、风能在船舶上应用的历史

东汉刘熙在《释书》一书中曾写“帆泛也，随风张幔曰帆”，表明中国1800年前已开始利用风帆驾船。宋朝是我国应用风车的全盛时代，但是流行的垂直轴风车一直沿用至今。

20世纪80、90年代，日本在风帆助航的研究和利用方面有了新的突破。1980年日本建造了第一艘装有普通翼帆的新爱德丸（Shin A-ito ku Maru）油轮，新爱德丸好装有两个高12.15m、宽8m的风帆。之后又建造了扇蓉丸、日产丸等机动风帆货船，1984年又设计和建造了26000t的臼杵先锋丸（Usuki Pioneer）和另一艘31000t的现代风帆助航远洋货轮。

1980年，巴黎Pier re和Marie Curie 大学和Cousteau本部研究小组利用空气动力学方面的知识，发明了船用涡轮帆。

1994年“Aghia Marina”号干散货船安装目前全球最大的“风筝”。据悉，“Aghia Marina”号长170米，建于1994年，航速14节，通常运输工业和农业原材料等货物，可一次运输大约28500吨干散货，将成为目前采用德国SkySails风能技术的最大船只。

1998年日本邮船株式会社已在营运的大型远洋煤炭专用船上应用风力发电，该船走日本至北美和日本至澳洲东岸航线。据统计每往返一次，大约可平均每天可以节省燃油130kg。

202_年澳大利亚开发出世界第一艘商用的太阳能和风能混合动力双体客船，是一种既可将太阳能和风能单独作为动力，又可合二为一的新型船舶。

202_年10月15日日本游船公司宣布，它同东海大学等联合开发出船用的风力发电机，计划搭载在202_年8月起航的大型运送汽车专用船上进行实验。

202_年12月15日全球第一艘用风筝拉动的货轮白鲸天帆号（Beluga SkySails）由德国汉堡市起航。

国内的风能应用研究也有很多范例，上海龙泰节能工程有限公司自主研发制造的龙泰牌5-2000KW系列风力发电机应用系统，在中国长航集团上海宝江实业“长轮29004囤船”上首次运行取得圆满成功。“长轮29004囤船”长90米，是5000吨级囤船，常年停泊在吴松口，为驳船提供靠泊、水电供应、应急处理等服务。

世界各国在风帆助航方面都有很多的研究，各国都有实船在运行。丹麦、德国、美国、日本、澳大利亚等过对风能作为船舶推进能源在船舶上的应用都作了研究和实船尝试。有研究学者认为，利用风力的装置推动船只航行，可节省30%—40%的燃料费用。

日本对在大型远洋船上应用风能发电系统的可能性展开了多项比较深入的研究评价工作，已取得很大成功，并已获得不少专利，到202_年日本已有14艘以风做辅助动力的船只航行在海上，它们的耗油量仅为普通机动船的75%。

日本福冈的生态船舶动力公司（EMP）已经开始详细设计其水瓶座系统（Aquarius System）风能和太阳能帆板。

目前该公司正同一些开发合作伙伴合作开发水瓶座系统风能和太阳能帆板。这种帆板将用来收集风能和太阳能，然后用来为船舶提供动力，以便减少燃油耗和温室气体排放。这种坚固的风能和太阳能帆板将产生一种有助于在海上、港口或抛锚时，船舶利用可再生能源。

每张帆板都将通过日本大阪KEI系统有限公司开发的计算机控制系统定位。在这些帆板不用时，可以收拢和储存起来。在风况不利时，可通过调节这些帆板的定位达到减少风阻力的目的，不过仍能够收集太阳能。

日本生态船舶动力公司深信，水瓶座系统风能和太阳能帆板将给航运公司带来引人注目的回报。该水瓶座系统风能和太阳能帆板意味着可在不对各种类型的船舶进行重新设计的情况下使用。水瓶座系统风能和太阳能帆板还可以安装在海军、海岸警卫队和渔业保护船上。

国内风能驱动船的研究及应用：

图1 风力发电驱动船的结构图

以上就是风力驱动船的结构图，船上动力系统由风力发电机(1)、和与发电机(1)相联的变压器(2)、变压器(2)输出端联接的电动机(3)组成。

风能驱动船，顾名思义，为一种利用风力发电实现驱动的船舶。它的结构要点是船上动力系统由风力发电机、和与发电机相联的变压器、变压器输出端联接的电动机组成，并利用风力发电提供电动机运轮产生的动力，推动船只行驶。随着，低碳、节能、环保理念的推广以及相关技术的成熟，风能驱动技术能够在内河、沿海的小型船舶中推广应用。

我国风能驱动船的应用

中国长航集团上海宝江实业“长轮29004囤船”装备了上海龙泰节能工程有限公司自主研发制造的龙泰牌5-2000KW系列风力发电机应用系统，并圆满运行成功。该船设计的风力发电机装机容量20kw，选用4台单机功率为5kw的“龙泰牌” LTFD/HY-5KW风力发电机，按照最长5天无风日计算，当连续5天无风天气下均能满足全船的日常生活需要，体现了超低风速运行的特性，当风速在2米/秒的情况下即开始发电，并能满足220/380V船载设备的正常用电，系统全部采用了数字化全自动控制。为了保证系统稳定和运行安全，实现智能化管理和控制，该项目攻克了数十项技术难题，保证了在全天侯气候条件下的安全运行。实现了微电脑数字化控制，自动跟踪风向并根据额定风速、电压、电流等，自动实现迎风30°/60°/90°偏航直至停机，保证了系统的安全。即时液晶显示发电电压、发电电流、当前风速、输入、输出电压、输出电流、三相输出电源的相电压、频率等。塔架液压自动起降，方便了安装和维修，解决了船载设备的后顾之忧和降低了建造成本。

目前，上海长江沿线港口的类似1800余条囤船全部改用风力发电，每年将节约31320吨柴油，相当于46197吨标准煤，直接产生经济效益23098万余元。

随着柴油的紧缺、油价上涨，我国内河运河内许多驳船也都改装为风力发电驱动，就是安装一种带着螺旋桨的“风力发电机”。由于船舶在航行途中，一般通过风力带动风力发电设备上的螺旋叶，就可直接给电瓶充电。船舶在停泊中，一般风力只要达到三四级，也可给电瓶充电。每条驳船一个航次需充电2次，在正常情况下，航行途中给电瓶充电后，还能基本满足船舶装卸时的用电需求。

瑞士日内瓦消息：Cargill已和希腊船东/船舶管理方Anbros Maritime S.A.签署协议，为其“Aghia Marina”号干散货船安装目前全球最大的“风筝”。

据悉，“Aghia Marina”号长170米，建于1994年，航速14节，通常运输工业和农业原材料等货物，可一次运输大约28500吨干散货，将成为目前采用德国SkySails风能技术的最大船只。

作为全球最大干散货物承租方之一，早在去年2月，Cargill就宣布和SkySails签署供应协议，在造船业使用风能技术，以减少污染气体排放。位于德国汉堡的SkySails长期以来研发一种革新的、具有专利的“风筝”技术，飞行在船艏，可产生足够的推进力，在理想海况下，可减少高达35%的燃料消耗。

根据协议，“Aghia Marina”号将在202_年一季度安装面积达320平方米的“风筝”，将其通过绳索与船相连，在100-420米高空飞行，配有电脑控制的自动操作，将风能运用至最大化。Anbros已加入和Cargill与SkySails一起进行研发和测试。今后五年，由Cargill长期租运的“Aghia Marina”号使用SkySails系统。SkySails公司负责培训船员如何操作风能推进。

三、风能在船舶上应用的方式与方法。人类社会对于风帆助航的理解和认识有着悠久的历史, 工业科技水平的不断提升对于风帆技术的应用起到了巨大的推动作用, 根据风帆的形式及其对风力利用性质的不同, 衍生出了普通翼帆、特种翼帆(包括单转子-翼帆组合体帆、转柱帆、转带帆、Walker 型风帆)、三角帆、天帆、Magnus效应帆(涡轮帆、转筒帆)和仿生帆等众多船舶风帆结构。其中以三角帆和普通翼帆技术应用水平较高, 其他帆型形式在船舶上的应用多是带有试验性质的技术探索。

1.涡轮帆

涡轮帆的基本结构如图2-10所示，它是一个可定向转动的椭圆形筒，在其后缘左右两侧各有一个由许多小孔组成的抽气面，当风速超过极限风速时，它置于灵位，椭圆上下设有端板，在上端板设置一个水平的抽气机，按风速、风向及船速等条件控制抽气量，使帆达到最佳推进效率。

2.蝉翼型帆

概念中的蝉翼型帆可以做成模块布置在船舶上，需要风力助航时可将帆升起，不需要时可将其折叠收藏。如需对风帆模块进行维修或长期不用时可以拆下，但目前仅仅是一个尚存诸多不定因素的概念。

3.风筝型帆

风筝型帆是在船艏张挂巨大的伞翼状的风筝，通过其拖动作用协助船舶前进，从而减少船舶燃料消耗。风筝帆相比上述三种帆成本低，结构简单，对船体改造要求低，占用船舶空间较小，但其释放与控制难度高，对风向的要求更高。

四、风能在船舶上应用的技术路线

1.伞形太阳能帆板双体船

[技术目的]：一种伞型太阳能帆板双体船，属于船舶海洋工程设备技术领域。

[技术方案]：本发明包括：单船体、船体连接架、万向接头、主立杆、伞型骨架、拉杆、套筒、牵引索、伞型太阳能帆板、太阳能光伏阵列、卷扬机、液压油缸、太阳能风帆、支承架、日光感受器、方向控制器。其中，两个单船体之间由船体连接架相联固结组成双体船。每个单船体长60米，宽约8米，两单船体中轴线之间的距离16米，双体船左右舷的最大宽度为24米。在船体连接架的中心位置上安装有万向接头，主立杆通过万向接头与船体连接架相铰接。主立杆高120米，由1.5米直径的铜管制成，铜管壁厚0.05米。主立杆的下部，在双体船中心轴线方向和垂直于双体船中心轴线方向，共设置四个液压油缸。液压油缸的活塞杆与主立杆各成45°角钱接，形成立体的支承，以便借助四个液压油缸的协同动作，使主立杆按照控制的要求，以万向接头为中心变动主立杆轴向的倾斜角度。支承架是一个钢制方管型圆环体，固接在船体连接架两旁的单船体的甲板上。支承架的中心与双体船的几何中心重合。支承架上沿圆周均匀固接着8个平面饺链，每个平面铰链上都连接着一根弧形的伞型骨架。伞型骨架弧形的曲率半径为180米。伞型骨架由无缝钢管制成。每根伞型骨架的弦长为140米，8个伞型骨架共同组成一个球形面，球形面的中心在主立杆的中轴线上。8根拉杆分别铰接在相应伞型骨架距根部端点弦长60米处，每根拉杆的末端与套在主立杆上的套筒7饺接，以利用套筒达到张紧和牵引的作用。在每根拉杆上距离主立杆中心轴28米处，分别有牵引索与之饺接。在主立杆的顶部，安装有8台卷扬机，分别牵引着各自对应的8条牵引索，以便牵引和垂吊8根拉杆，得以控制8个伞型骨架的位置角度。伞型太阳能帆板以伞型骨架为支承安装在伞型骨架上，其投影面积为6万平方米。该面积远大于双体船本体的尺度，尽量扩大了接收太阳能的有效面积。伞型太阳能帆板由尼龙纤维材料制成，质地轻盈，坚固牢靠。太阳能光伏阵列安置在伞型太阳能帆板的上面，以便尽量吸收太阳光的能量。太阳能光伏阵列是采用威海蓝星泰瑞光电有限公司生产的不透明非晶硅太阳能电 池模块组装而成。日光感受器和方向控制器置于双体船内，日光感受器的输入端感受太阳光，日光感受器的输出端通过方向控制器与液压油缸的控制端电连接。

[技术效果]：本发明的技术中，风能和太阳能在船舶推进上协同利用，使双体船完全以绿色能源驱动。它仅依赖、风能和太阳能驱动，完全不需要常规能源包括燃油和燃气的消耗，是一种无排放污染的绿色船舶。

图1：伞形太阳能帆板的双体船的俯视图

图2：伞形太阳能帆板的双体船的正视图 图中：1单船体，2船体连接架，3万向接头，4主立杆，5伞型骨架，6拉杆，7套筒，8牵引索，9伞型太阳能帆板，1 0太阳能光伏阵列，11卷扬机，12液压油缸，13太阳能风帆，1 4支承架，1 5日光感受器，1 6方向控制器

2.小水线面三体太阳能风帆船

[技术目的]：小水线面三体太阳能风帆船，属于船舶海洋工程技术领域。

[技术方案]：本发明包括 : 主船、两个辅船、主桅杆、辅桅杆、上帆梁、中帆梁、下帆梁、横梁、上桅、中桅、下桅、中括板、电流分配器、充放电控制器、超级电容组、电磁接触器、逆变器、变压器和电力推进器。

其中，主船由主船上体、三根主支柱和主下潜体构成。辅船由辅船上体、辅支柱和辅下潜体构成。主船和辅船穿过水面的部分只是三根主支柱和两根辅支柱，使三体船形成小水线面的结构，大幅度降低了三体船航行的兴波阻力。三台电力推进器分别安装在主船上体和两个辅船上体的自尾部，两块中插板分别悬挂在主船上体舷外两侧。

主桅杆安装在主船上体上，两个辅桅杆分别安装在两个辅船上体上。它们都可以绕本身的主轴线转动。上帆梁、中帆梁、下帆梁和横梁自土而下平行安装，并与主桅杆和两辅桅杆铰接。上桅悬挂在上帆梁下，中桅悬挂在中帆梁下，下跪悬挂在下帆梁下。上桅、中桅和下桅都由质地致密而坚固的尼龙纤维制成，能够经受狂风的吹席。上桅、中桅和下桅的表面都粘贴着多块太阳能电池板。多块太阳能电池板由导线互相连接，组成太阳能光伏阵列。上桅、中桅和下桅的面积大小，不受主船本身尺寸大小的限制，它可以制成面积很大的结构，以便安装尽可能多的太阳能电池板，组成强大的太阳能光伏阵列，提供浩大的电量，同时接收足够的风能动力。太阳能光伏阵列的输出端与电流分配器的输入端连接，电流分配器的输出端分别与充放电控制器的输入端和逆变器的输入端连接。充放电控制器的输出端与超级电容组的输入端相连接，超级电容组的输出端通过电磁接触器也与逆变器的输入端连接。电磁接触器的控制端与电流分配器的控制端相连，并由电流分配器控制电磁接触器的动作。逆变器的输出端通过变压器与主船、辅船的电力推进器联接。

太阳能光伏阵列在阳光的照射下，可以持续发电、输出电流。当太阳能充足时，太阳能光伏阵列发出的直流电，通过充放电控制器调制到适当的电流和电压水平，输送到超级电容组的输入端，向超级电容组充电。超级电容组存储的电能，可在任何时刻使用，以驱动船舶。用于驱动推进器的电能通过逆变器转变为交流电，经由变压器引入电力推进器的输入端。当太阳能光伏阵列达不到足够的电流输出、风力又不足以驱动船舶时，电流分配器控制电磁接触器联通，使超级电容组向逆变器的输入端放电。电流经逆变器的输出端流出后，经变压器引入主船、辅船的电力推进器的输入端口。在主船的电力推进器的驱动下，船舶前进。在辅船的电力推进器的的驱动下，两个辅船协同主船调整相对位置，形成前后直线的排列分布，或者根据指令，协同调整各自的方位，牵引太阳能风帆的迎风角度发生精确的转变，船舶即使在侧逆风的情况下，仍然能够顺利前行。

图3：太阳能风帆船的正视图

图中，1是主船上体，2是主下潜体，3是主支柱，4是辅船上体，5是辅下潜体，6是辅支柱，7是主桅杆，8是辅桅杆，9是上帆梁，10是中帆梁，11是下帆梁，12是横梁，13是上桅，14是中桅，15是下跪，16是中括板，17是电流分配器，18是充放电控制器，19是超级电容组，20是电磁接触器，21是逆变器，22是变压器，23是电力推进器。

[技术效果]：采用了三体船的结构，除了主船以外，左右各有两个辅船承担支撑的任务，使巨大的太阳能风帆不至失去平衡，整个船上体也不会发生侧翻事故。船上体均采用小水线面结构，大幅度降低了兴波阻力，使船舶得以快速航行。本发明可在不同的环境条件下，选择由风能单独驱动船舶;由太阳能单独驱动船舶；由太阳能和风力共同驱动；或是利用超级电容组储存的电能驱动，使船舶总是可以持续正常航行。

四、风能在船舶上应用所存在的难点和关键技术

助航风帆系统要求高效安全：风帆状态（包括帆向角、风帆的启停等）和主机转速控制是风帆助航控制系统中两个至关重要的控制要素，因此确保在各种条件（气象条件、航行条件等）下对风帆姿态和主机转速进行最优化控制是风帆助航控制系统的根本目的。综合来说，风帆助航控制系统有如下一些要求：

1、风帆的启停：风帆的启停不但关系到风帆助航系统的节能收益，还关系到风帆助航系统的安全性。因此需要风帆助航控制系统能够根据气象条件和船舶航行状态等因素进行合理而优化的自动控制。

2、帆向角：风帆在使用时，根据风向，按照风帆的最佳帆向角曲线适时的调整帆向角，使得在一定条件下风帆获得最大推力从而获得最大节能效果。

3、主机转速：风帆助航系统大都采用定航速控制方案，即随着风帆推力的增加，减少主机的输出功率，使船舶的航速保持不变，以风帆所得到的推进功率部分作为节能目标。因此需要根据实际情况对主机的转速进行适当的调节，以保持航速不变。

同时

1、风能密度低，风能不能集中，不稳定。

2、风力发电装备昂贵，投资大，风险大。

3、风能使用方式相对单一，很难和船舶有一个很好的结合。

五、风能在船舶上应用的创新之处

公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面和利用风帆推动船舶前进。公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。10世纪伊斯兰人用风车提水，11世纪风车在中东已获得广泛的应用。

工业科技水平的不断提升对于风帆技术的应用起到了巨大的推动作用, 根据风帆的形式及其对风力利用性质的不同, 衍生出了普通翼帆、特种翼帆(包括单转子-翼帆组合体帆、转柱帆、转带帆、Walker 型风帆)、三角帆、天帆、Magnus效应帆(涡轮帆、转筒帆)和仿生帆等众多船舶风帆结构。其中以三角帆和普通翼帆技术应用水平较高, 其他帆型形式在船舶上的应用多是带有试验性质的技术探索。

202_年12月15日全球第一艘用风筝拉动的货轮白鲸天帆号（Beluga SkySails）由德国汉堡市起航。

伞型太阳能帆板双体船。小水线面三体太阳能风帆船。

六、风能在船舶上应用预期的效益

1、上海东部沿海和长江口区是我国风力资源较为丰富的地区，有数据表明202_-202_年4年间，上海沿江连续3m/s以下的无风日为五天，平均每年3m/s以上的时间在5000小时以上。目前在风能建设利用方面还存在着；建设风电场在立项选址、投资回报等方面受到很多的条件限制不能很快的普及，目前民间应用风电的群体主要是在缺电、无电的地区和不能接通电网的场所，装机功率一般在500-2000W之间，上海地区很少利用。

如何广泛应用这一得天独厚天然可再生资源，将大功率风电应用到目前使用柴油机的场所，在解决企业或投资者对应用新能源的顾虑方面，中国长航集团上海宝江实业“长轮29004囤船”上的典型案例能给人们一个全新的认识。

由上海龙泰节能工程有限公司自主研发制造的5-2000KW风力发电机应用系统在中国长航集团上海宝江实业“长轮29004囤船”上实践取得圆满成功。

长轮29004长90米是 5000吨级囤船，常年停泊在吴松口，为驳船提供靠泊、水电供应、应急处理等服务。由于囤船所需动力全部依靠柴油发电，每天连续不断的机器轰鸣声影响了船员的工作和休息。随着柴油供应的日益趋紧,和价格的不断上涨，运营成本大幅攀升，急剧增加了囤船的运营成本。在中国长航和上海宝江集团领导的高度重视下,由上海龙泰承担该船应用可再生能源的设计和建造。该船设计的风力发电机装机20KW，按照最长5天无风日计算，当连续5天无风天气下均能满足全船的日常生活需要。更主要的是具有超低风速运行的特性，当风速在2米/秒的情况下即开始发电，并能满足220/380V船载设备的正常用电，系统全部采用了数字化全自动控制。由此彻底告别了采用柴油机发电的历史。该项目202_年4月18日通过验收并全部投入运营，各项技术指标均已满足设计要求，从而全面取代了柴油机发电，使该船第一个享受了清洁的可再生能源。

为了保证系统稳定和运行安全，实现智能化管理和控制，该项目攻克了数十项技术难题，保证了在全天侯气候条件下的安全运行。实现了微电脑数字化控制，自动跟踪风向并根据额定风速、电压、电流等,自动实现迎风30°/60°/90°偏航直至停机，保证了系统的安全。

即时液晶显示发电电压、发电电流、当前风速、输人、输出电压、输出电流、三相输出电源的相电压、频率等。

塔架液压自动起降，方便了安装和维修，解决了船载设备的后顾之忧降低了建造成本。

该船原柴油发电供电系统设备成本7.5万元, 每年的运行成本约为13.8万元；(柴油按目前市场价6300元/吨计算费用约8.5万元，机油0.8万元,维修保养费用每年约1.5万元，机械师工资3万元),本次建造的风力发电系统设备、安装费用总计为24万元，使用费用每年不足2万元。

按照20年的折旧计算:

柴油系统运行20年的费用为238.5万元,风力发电运行20年的费用为64万元（不含风电高于柴油三倍的发电量）。

实践证明该船每年直接节约成本8.7万元，不足三年全部收回成本。20年节约柴油240吨，相当于349.8吨标准煤。直接产生经济效益174万余元。

上海长江沿线港口的类似1800余条囤船全部改用风力发电，每年将节约21600吨柴油, 相当于31482吨标准煤。直接产生经济效益15660万余元。

龙泰风电在新技术、建造低成本上的突破，将快速推动风电在我国应用领域的飞跃，绿色能源将会走进社会的各个领域和百姓生活。

2、一种带着螺旋桨的“风力发电机”的新型船舶出现在国内内河航道中。由于船舶在航行途中，一般通过风力带动风力发电设备上的螺旋叶，就可直接给电瓶充电。船舶在停泊中，一般风力只要达到三四级，也可给电瓶充电。正常情况下，航行途中给电瓶充电后，还能基本满足船舶装卸时的用电需求。

在京杭运河德清新市段，这种风力发电设备，依靠风力来获取照明用电，给航行助力，既环保还省钱，目前在安徽和江苏一带比较流行。

据介绍，在去年柴油吃紧时，一些“跑江湖”的船老大想出了这个“好点子”。这段时间来，随着柴油的又一次紧缺，安装风力发电设备的船只就越来越多了，除了外地船只，湖州本地也有部分船只开始用上了这种风力发电设备。

“我的投入成本早就赚回来了。”应用此种风力发电机的已经得到实惠的船老大黄士玉算了一笔细账：这种风力发电设备，可以给12伏蓄电池充电，风力大时也可以为24伏、36伏蓄电池充电。以12伏蓄电池为例，每条驳船一个航次需充电2次，以前用柴油时耗费要20多升燃料，一个船队十条驳船，一个航次下来燃料需200多升。仅此一项支出就达上千元，而一部风车的投入只需700元，加上电瓶等投入也不过202_元。而风力发电设备可用两三年，两者一比较，谁费谁省一看就晓得了。

随着新技术的发展，风能以其各种优点必定会在船舶航运上应用的更加广泛，利用效率也会越来愈高，风能在船舶上应用的前景必定更加广阔。

文献：

《 帆船史 》 杨槱（上海交通大学出版社202_年出版）《运河里行驶着风力发电船》

《一种利用风力发电驱动的船》 李积顺 《风电在船舶中的应用》

《伞形太阳能帆板双体船》 上海交通大学 《小水线面三体太阳能风帆船》 上海交通大学

《太阳能和风能在船舶上的应用分析》 武汉理工大学

《风能发电在远洋货船上应用的研究》 上海船舶运输科学研究所 《现代风帆助航船航行模式分析》 杨烨 邱立强

《基于翼型理论的风帆助航技术分析》 王宏明 孙培廷 黄连忠 任宏莹

第四篇：玻璃钢材料在船舶制造中的应用

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玻璃钢材料在船舶制造中的应用

玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料，俗称FRP，即纤维增强复合塑料。根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料（GFRP），碳纤维增强复合塑料（CFRP），硼纤维增强复合塑料等。它是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。

玻璃钢是一种常见的环保设备制作材料。它的全称是玻璃纤维复合树脂。它具有很多新型材料所没有的优点。玻璃钢是将环保树脂与玻璃纤维丝经过加工工艺揉合在一起。在树脂固化了以后，性能开始固定而且不可回溯到固化前的状态。严格来讲，它种树脂是环氧树脂的一种。经过多年的化工方面的改良，在添加适当的固化剂后，它会在一定时间内固化。固化以后的树脂没有毒性析出，同时开始具备一些十分适合环保行业的特性。

玻璃钢是一种新型的造船材料，是近代材料革命的一重要组成部分。玻璃钢应用到造船业中的时间不长，但已突显出其强大的生命力和广阔的发展前景。

玻璃钢舰艇的特点是质轻、高强，对减轻重量有较大潜力，适用于限制重量的高性能船舶和赛艇等；耐腐蚀，抗水生物附着，比传统的造船材料更适合使用；无磁性，因而是扫雷艇，猎雷艇最佳的结构功能材料；介电性和微波穿透性好，适宜于军舰艇；能吸收高能量，冲击韧性好，船舶不易因碰撞，挤压而损坏；热导率低，隔热性好，适合建造耐火救生艇、渔船和冷藏船等；船体表面能达到镜面光滑，并且可具有各种色彩，特别适于建造外形美观的各类游艇；可设计性好，能按船舶结构各部件的不同要求，通过选材、铺层研究和结构造型来实现优化设计；整体性好，船体无接缝和缝隙，可防渗漏；成型简便，比钢质、木质省工，且批量生产特别好，降低造价的潜力很大；维修保养方便，维修费比其他材质的船艇少得多，全寿命期的经济性能好。由于玻璃钢具有传统造船材料无法比拟的上述综合性能，故备受造船界的重视，经多年的开发应用，已成为一种重要的船用材料。但因其弹性模量低和受成型技术等的限制，尚不能建造太大的舰船，加之价格较贵，故在整个造船业中用量比钢材少。

中国的玻璃钢/复合材料船艇工业始于1958年，历经近50年的发展，就其船体材料、设计和制造技 术发展的历史沿革和技术状况，可分为以下三个阶段：初创阶段（1958年～改革开放前）、巩固阶段（改革开放后～20世纪末）和发展阶段202_年起至今）前两个阶段中，船体材料、设计计算和制造工艺等方面，技术进展不明显，表现为：

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1.材料方面：四十年来一直采用由E玻纤（甚至中碱玻纤）纺织而成的传统的无捻粗纱方格布和短切毡及性能一般的不饱和聚酯树脂作为船体原料；

2.设计方面：基本上是沿用金属船舶的设计理念，其船体结构绝大多采用常规的实板加筋结构形式；

3.制造方面：几乎所有船厂均采用传统落后的手糊成型工艺方式，或辅以喷射成型工艺，仅个别船厂曾局部采用过真空袋压成型技术；

在这两个阶段中，从事玻璃钢/复合材料船艇制造的船厂属于原中国船舶工业总公司的只有几家，绝大多数均为地方上的中小型船厂以及90年代后到大陆设厂的台资企业。曾经提出过以玻璃钢渔船为突破口来推进复合材料在我国船艇工业中的发展，但都收效甚微。第三阶段的前几年中，国内有些大的集团公司和欧美澳等外资公司已纷纷涉足我国的游艇行业，因而国内复合材料造船技术发展的步伐已明显加快。特别是202_年，以太阳鸟船艇制造有限公司等为代表的国内复合材料船艇制造商已经在采用先进的材料、设计和制造工艺技术方面迈出了可喜的一大步。如珠海太阳鸟游艇制造有限公司的62英尺机动游艇，采用多轴向缝（经）编织物、PVC泡沫夹层结构和真空辅助成型工艺成功制造了该艇的船体；再加佛山市宝达船舶工程有限公司的13.6米海关超高速摩托艇，采用了含有芳纶纤维的混杂增强材料与乙烯基树脂复合，同样也用真空辅助成型工艺来制造艇体。第三阶段前期国内复合材料造船技术的进展表现在以下几个方面：

1.打破了国内船艇一直沿用的普通方格布作为增强材料和聚酯树脂作为基体的局面，开始采用先进的多轴向缝编织物和乙烯基等高性能树脂，大大提高了艇体的性能；

2.结束了单一的实板加筋结构这种传统艇体设计模式，开始进行夹层结构、硬壳式结构和波形结 构等各种艇体结构形式的设计和建造实践；

3.打破了长期采用陈旧的手糊成型工艺之落后局面，实现了复合材料真空辅助成型工艺在船体制造中的突破。

值得提出的是，国务院不久前审议通过的《船舶工业中长期发展规划》中提出，为适应国内旅游、休闲等行业的发展，要大力开发个性化游艇等产品。为此，中国船舶工业集团公司与上海奉贤区人民政府最近在北京签订了合作开发建设上海中船游艇制造基地的框架协议，拟将该基地建成中国最大的游艇制造基地。这不仅将进一步激活上海及长三角地区的游艇技术，还将有力地推动中国复合材料船艇工业技术的脱胎换骨，在更高的层次和水平上参与国际竞争，从而实现中国船艇工业新的突破。推广玻璃钢渔业船舶玻璃钢自诞生以来，已被广泛应用于各个行业，特别是它特有的性能以及其它造船材料无法比拟的优越性，已成为世界发达国家用于建造中小型渔业船舶和游艇的首选材料。

我国虽然在上世纪60年代已开始用于小型船艇的建造，但在渔业船舶的建造中使用玻璃钢材料始终未形成规模。“六五”、“七五”期间也曾对玻璃钢造船加大了研制开发力度，由于缺乏政策扶持、宣传力度不够、社会购买力差等因素，—直未能得到渔

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民的首恳。最早研制玻璃钢渔船的生产厂相继转产游艇及其它玻璃钢制品，玻璃钢渔船发展至上世纪90年代初，在渔船总量中的占有率尚不足万分之一。而在发达国家玻璃钢渔船的占有率已达90%以上。为改变这一现状，1994年农业部、科技部将玻璃钢渔船的建造及产业化列为“九五”科技攻关项目，并出台了优先发放捕捞许可证，三年减半收取资源费，减半收取船检费，减半收取保险费，优先贷款五项优惠政策。

玻璃钢渔船之所以能在渔船中占绝对优势，是因为玻璃钢这种材料具有钢材、木材无法比拟的优越性。玻璃钢是一种复合材料，上世纪40年代诞生于美国，开始主要用于军事和航空，50年代逐渐转为民用。我国玻璃钢船艇从60年代开始发展，至今已近40年。目前已基本占领了小型船艇市场，并以轻质高强、造型美观、色彩多样而受到经营单位和乘客的欢迎。但长期以来，玻璃钢船艇的维护保养工作未能受到应有的重视。生产单位大都未在产品说明书及用户须知等资料中介绍维护保养常识，很多用户单位对玻璃钢材质、性能等缺乏了解，不少人盲目认为玻璃钢强度高、不会锈蚀，又有胶衣层保护，无需保养。这就造成了很多玻璃钢船艇由于缺乏维护保养而过早失去风采，缩短了使用寿命。玻璃钢是以合成树脂为基体，以玻璃纤维为增强材料复合而成的。它具有与钢相近的强度，有耐水、耐腐蚀的优越性能，表面光洁如镜的美观外表，可整体成型的特点；但它也存在一些不足，如刚度较小、耐磨性较差等。特别是影响质量的因素较多（如原材料优劣、作业人员技术素质、生产条件及环境因素等等），这就使同类产品质量上的差异会很大。与钢质、木质船相比，玻璃钢船具有较少维修的特点，这是玻璃钢本身的优越性能所决定的。但玻璃钢与所有材料一样，也存在着老化问题，只是老化进程较缓而已。即使在船艇表面施加了胶衣树脂形成了保护层，但由于厚度仅0.3-0.5毫米，在经常磨擦和环境侵蚀下也会损伤和减薄。所以，玻璃钢较少维护并非不需维护，适当的维护不仅可以保持漂亮的外观，还可延长玻璃钢船艇的寿命。

在世界范围内，玻璃钢（FRP）渔船从20世纪60年代初开发以来，迄今已有50多年的历史。由于玻璃钢渔船具有快速性好、操纵性优、载重量大、省燃料、易维修保养、利于环境和资源保护等优良的综合性能，获得了迅速的发展。截止20世纪末，美、英、法、日、韩等发达国家，中小型木质和钢制渔船基本被淘汰，玻璃钢渔船市场占有率占90%以上；我国台湾的玻璃钢渔船发展也相当迅速。我国大陆从20世纪70年代开始建造玻璃钢渔船，起步并不算晚，但其发展速度与发达国家相比差距甚大。目前我国拥有渔船约104万艘，木质渔船占约84%，玻璃钢渔船约占2%。玻璃钢渔船的发展与我国国民经济迅速崛起极不相称。一些国家和地区的经验应值得我们学习与借鉴。

我国大多数渔民仍在使用落后的木质渔船作为捕捞生产工具，这与国民经济的高速增长和科学技术的快速发展不相适应。更为让人忧虑的是，我国木质渔船大都老旧不堪，存在耗能高、污染水域环境严重；使用寿命短，维修费用高；安全生产条件差，事故隐患多等诸多问题。这既不符合我国发展低碳、可循环的集约型经济的要求，也影响我国渔业生产的效率和安全。在这种情况下，推广应用玻璃钢渔船，提高渔业装备水平已然

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势在必行。中小型渔船玻璃钢化是我国渔船未来发展方向。玻璃钢具有质轻高强、耐腐蚀、抗老化可设计性强等特性玻璃钢渔船正是充分利用了玻璃钢材料的特性，使其在船舶性能和经济性方面有了优于钢质和木质渔船的特点。

在船舶性能方面，玻璃钢渔船船体为一次成型，船体表面光滑，阻力小，与同功率同尺寸钢质渔船相比，航速可提高0.5-1节左右。玻璃钢比重是钢材的1/4，玻璃钢船压载重心低，在风浪中起浮性好，回复能力强，抗风能力强。

在经济性方面，玻璃钢渔船节能效果好。玻璃钢具有良好的隔热性，导热系数只有钢质的百分之一。玻璃钢渔船航速较快，可缩短航行时间，提高出海率，增加捕鱼航次，达到节油的目的。

玻璃钢渔船使用寿命较长。钢质渔船易锈蚀，使用年限一般在10-15年，还得每年维护保养、去锈涂漆，维修费用高。玻璃钢渔船具有良好的耐腐蚀性，船体永不锈蚀，理论上使用寿命可达50年之久，而且无需像钢质船每年进行维护。年均维修费用只有钢质船的十分之一。

玻璃钢渔船具有节能、使用寿命长、维修费用低等特点，虽然一次性投资高于钢质船，但其中长期经济效益仍高于钢质渔船。据不完全统计，我国现有机动和非机动木质渔船90多万艘，这些木质渔船用料混杂，技术性能差，主机耗油大，年维修费用高，而且大量消耗木材，而我国森林资源贫乏，供需矛盾突出。上世纪90年代全国用以建造和维修船只的木材，每年达200万立方米，如果20年内将90多万艘木质渔船更新为玻璃钢渔船，可节约木材930万立方米(平均每艘用料10立方米)。据1999年统计，我国现有不同尺度钢质渔船5万艘，每两年去锈一次，以每艘船产生污染物250公斤计算，平均每年向海洋倾倒6250吨污锈，严重地破坏了海洋生态环境。玻璃钢渔船则无需去锈和耗用大量木材，这样对保护海洋生态环境和森林资源起到积极的作用，具有良好的社会效益。

近年来玻璃钢船的制造量越来越多，尚供不应求，说明了玻璃钢船很有发展前途。为进一步开拓玻璃钢造船的广阔天地，如下几个方面尚需研究提高。

(1)玻璃钢的设计和实验工作目前还处于初步研究阶段。虽然对玻璃钢材料是实验和各种板架结构的实验，以及玻璃钢的典型分段实验等都做了工作，但是缺少系列化的实验。因此，尚无法为玻璃钢船的结构设计提供完整的资料，使设计的可靠性和正确性达到高度水平。

（2）手糊低压接触成型法是目前制造玻璃钢船采用的主要方法，虽然有不少优点，但是劳动强度大，生产效率低，劳动保护不易解决。因此，提高玻璃钢成型的机械化，是发展应用玻璃钢造船的重要课题。

（3）玻璃钢造船也必须实现标准化、系列化、通用化。这是提高机械化程度，实现高速度、高质量的手段。例如大批量生产的玻璃钢救生艇，经过大量调查和辛勤的工作，编订了部标准，实现了线性一致，减少了大量模具，并使生产设备和备件可以通用、船舶动力装置认知实习论文

互换。

（4）玻璃钢的原材料还需要进一步创新。比如为了克服玻璃钢弹性模量低的缺点，需要研制高弹性模量的玻璃纤维；为了减缓老化现象，需要研究新的化学稳定剂；为降低成本，应生产和使用厚的玻璃毡等新产品作加强材料。此外，在提高树脂的耐燃性方面还有不少课题。

（5）玻璃钢的质量检验方法也需要改进。目前对玻璃钢的厚度测量和内部缺陷的检查等还缺乏精确的方法。

目前，世界上202_多万艘6-20米左右的游艇中，FRP游艇占了90%以上。玻璃钢游艇国内市场需求潜力巨大，国内具有不断升温和扩大的游艇消费需求。我国经济多年持续高速增长，居民生活水平大幅提高，千万、亿万富翁已经大量出现，旅游消费不断升温，以及北京奥运成功、上海世博成功、三峡大坝库区建成、沿海发达城市逐步国际化等有利因素，极大地推动了国内景观水系休闲旅游开发的热潮，也使各类旅游休闲船艇和私家游艇市场蕴涵着巨大的发展潜力。据不完全统计，我国游艇俱乐部近5年来已由一二十个猛增到50多个，深圳、广州、珠海、上海、浙江、大连、青岛等地已有私家游艇1000多艘，国内私家购买的最贵游艇高达9000多万人民币。这一切表明游艇经济在我国已见端倪并呈快速升温之势。

总之，由于玻璃钢（FRP）具有许多传统造船材料无法比拟的优点，故从问世以来倍受造船界的重视。现已成为世界中、小游艇和高速船艇制造的首选材料，且具有良好的发展前景。参考文献

[1] 赵红萍,王唯涌,姚琳.我国玻璃钢渔船发展现状、问题与对策[J].中国渔业经济,202_,04:28-33.[2]金海祥.玻璃钢结构特点及其在造船上的应用[J].造船技术,1979,06:7-16 [3]姚树镇.国内玻璃钢船艇与国外产品相比存在的差距[J].中外船舶科技.202_(02)[4]唐军.玻璃钢船艇的维护与保养[J].民营科技.202_(01)[5]李跃先,俞进学.对我国玻璃钢船建造现状的思索[J].交通科技.202_(02)

第五篇：燃气轮机在船舶动力方面的应用

燃气轮机在船用动力方面的应用与发展

邵高鹏

（清华大学汽车系，北京 100084）

摘 要：介绍船用燃气轮机的工作原理和特点，对比燃气轮机和内燃机性能的优缺点，总结燃气轮机应用于船用动力的现状和未来的发展方向。

关键词：船用燃气轮机；原理；应用；发展方向；

1．引 言

燃气轮机动力装置在50年代开始用于船舶，在此之前，水面舰艇都已蒸汽轮机和内燃机作为其动力装置，大型舰船以蒸汽轮机为其主要的动力装置，蒸汽轮机的优势在于技术相对简单，制造相对容易，但是其同样存在油耗大，占用空间大等等劣势，而柴油机的单机功率有限，必须采用多机并用。并且由于燃气轮机汽固有的一些优点，使得它逐渐向柴油机动力在船舶动力上的统治地位发起了挑战。最初的燃气轮机还只能应用与军用舰艇，但是随着燃气轮机技术的发展，燃气轮机在商船上也逐步得到了推广。

2．船用燃气轮机的工作原理

船用内燃机的循环模式可以分为简单开式循环，其工作过程同内燃机类似，也可以分为吸气、压缩、做功及排气四个工作行程，但是与内燃机又有很大的不同，下图中是一种燃气轮机的结构示意图。

轴流压气机的转子高速回转，在压气机的进口处产生吸力，将新鲜空气吸入压气机，对应着吸气的过程。空气在轴流压气机中增压，压力和温度都有升高，空气继续流动经过扩压器，减速增压进入燃烧室中，此时的空气温度和压力都较高，比容很小，这就实现了空气的压缩过程。在空气进入燃烧室的同时，燃油同时喷入与空气混合形成可燃混合气，点燃后迅速燃烧，温度继续升高，而压力变化不大（由于流动损失的存在）；高温高压的燃气，经过涡轮的静叶的导向之后冲击涡轮的动叶叶片，推动叶片使涡轮转子高速转动而产生转矩。涡轮常分为两级，第一级涡轮（高压涡轮）上产生的转矩用于驱动与之联动的压气机，第二级涡轮（动力涡轮）上产生的转矩经过传动轴和减速箱输出，这就是燃气轮机的燃烧和做工过程。经过两级涡轮的燃气经废气箱和烟囱排入大气，是燃气轮机的排气过程，这部分气体中仍然含有一些能量，可以把这部分能量加以利用来提高整机的工作效率。

除了简单开式循环外，船用燃气轮机还有一些更为复杂的循环型式，包括回热机组和中冷机组等等。回热机组中排气温度高，经回热器(即换热器)先把压气机出口的空气加热，然后空气再进入燃烧室，优点是可以提高热效率，但是会增加机器的重量和尺寸；中冷机组在压缩过程中采用中间冷却，这样可以减小高压压气机的压缩功，使单位流量工质的输出功增大。

3．船用燃气轮机的特点

燃气轮机虽然发展比内燃机和蒸汽轮机稍晚，但是很快便在航空领域取得了绝对的统治地位，并在船用动力系统中也得到了广泛的应用，与传统的内燃机动力和蒸汽轮机等相比，燃气轮机能够克服很多它们的缺点，但是也有一些自身惯有的不足。

与柴油机相比，船用燃气轮机有以下特点：

1.燃气轮机工作时虽然同样经历吸气、压缩、做功和排气四个环节，但是这些环节是分别在不同位置同时、连续地进行的，各装置的工作过程互不干扰而且又同时进行，而柴油机要等一个冲程结束后才能开始另一个冲程。

2.燃气轮机以高速回转方式工作，它的主要运动部件压气机转子和涡轮转子等都经过精确地调节平衡，因此燃气轮机在高速转动的过程中冲击小，平稳性好。而活塞式内燃机运动方式为往复运动，工作时有较强的冲击。

3.相比内燃机，燃气轮机有更高的工作温度，而燃烧膨胀压力较低。4.燃气轮机启动时需要强制点火，而正常运行之后则可以自燃，而内燃机一般只有一种固定的着火方式。

5.燃气轮机运行时没有时间和角度的要求，也没有正时的问题，燃气轮机的燃油喷射是连续不间断的，而内燃机只在一个循环中的某个阶段进行喷油。

一般来说，与船用柴油机相比，燃气轮机的优点主要有：

1.比功率大，重量轻，体积小。在同等功率的各种内燃机中，燃气轮机具有最轻的重量和最小的体积。船用燃气轮机单位功率重量，只有高速柴油机的十五分之一或更小。

2.船用燃气轮机对功率指令反应迅速，低温起动性，加速性良好，且起动后立即可投入全负荷工作。不必“暖车”，不必慢慢提速，有利于提高舰船的机动性。

3.燃气轮机工作时有充足的空气来满足燃油燃烧所需。由于燃烧完善，从而保证在起动、加速、变速及正常运行等不同工况下排气都不会冒黑烟。这个突出的优点，大大提高了军用船舰的隐蔽性。

4.燃气轮机结构紧凑，传动机构较少，工作极为平稳，不震动，工作噪音。尤其是高频噪音较小。便于安装封闭式机罩而对机组实行整体隔音、降噪，从而使机舱工作条件得到改善。在一定程度上也能提高船舰的隐蔽性。

5.燃气轮机工作可靠性高，故障较少发生。同时拆卸、维修、安装都较方便。与船用柴油机相比，船用燃气轮机具有以下缺点:

1.耗油率偏高，尤其是小型船用燃气轮机。但随着技术的发展，已得到很大改善。2.燃气轮机的工作转速很高，但输出扭矩较小，必须通过减速箱降速提高扭矩才能输出作功。然而配套的减速箱减速比都比较大，其重量甚至大于燃气轮机本身，增加了结构的复杂性。

3.燃气轮机工作当中耗气量特别大。故进气通道及排气烟囱尺寸都较大，占用了船 舱的部分空间容积在小吨位船上布置起来有些不便。4.燃气轮机的构造较复杂精细，制造材料和工艺要求都很高，因而它的造价较柴油机高，维修配件也比较贵。

5.为满足燃气轮机高速、高温工作所需，对使用的润滑油有较严格的要求，必须具有良好的润滑性及抗高温的热稳定性。燃料则用热值高，含杂质、水分少，尤其是含硫分低的优质轻柴油，因而在一定程度上限制了使用范围并增加了营运成本。

4．燃气轮机应用于船舶的状况

1.军事方面：英国于1967 年率先提出实行水面战舰全燃汽轮机推进的动力政策。1969年以后，高性能船舶燃气轮机LM2500 研制成功，美国海军动力装置迅速走上了全燃推进的道路，并在装舰数量上远远超过了英国。原苏联一直是船舶燃气轮机的最大使用国，其海军装用燃机的舰艇数、燃机台数和装机总功率均占世界第一位。80 年代初，日本海军步英国、美国和原苏联后尘也走上了全燃推进的道路。最近十多年，其燃机装舰的速度和规模均超过了英国。目前的护卫舰，尤其是装备现代武器的大型护卫舰，采用燃机(含柴燃联合装置)推进日益增多；在驱逐舰和巡洋舰中，燃汽轮机将取代蒸汽机，成为两舰种的动力装置；轻型航母也倾向于采用燃机驱动。我国第一艘装备燃气轮动力的“舷号452”气垫登陆艇于1989年服役，成为我海军发展史上的一个重要里程碑。后来又在一些中大型军舰，如舷号112、113、168、169等驱逐舰上，装备了多种不同型号的燃气轮机动力，为海军的现代化建设奠定了牢固基础。202_年，以沈阳黎明公司为研制总成单位、六〇六所为总设计单位，联合清华大学、中科院、上海交通大学等科研院所和有关企业，组成设计研制项目联合体，借鉴国外技术，引进国外智力，共同研制R0110重型燃气轮机。这一项目被列为国家“十五”期间“863”能源领域重大专项。202_年，重型燃气轮机己进入最后联调及试验验证阶段。输出功率预计可达114500kW，可以作为中型常规航空母舰的主动力。这对于提高我国的综合国力具有积极推动作用。

2.民用船舶：近十年来，燃气轮机在高速渡船中得到大量应用。具有代表性的是瑞士斯坦纳航运公司营运的三艘HSS1500大型高速渡船。大型旅游船和高速集装箱船采用燃机推进是船用燃机在商船应用领域中的又一个重大突破。在商船推进领域中，船舶燃气轮机正在向船用柴油机的世袭地位挑战。

5．船用燃气轮机的未来发展方向

近20 年来，随着燃气轮机技术的发展、高性能航空发动机的改装以及在燃气轮机热力循环方面的开发研究，船用燃气轮机的性能日益先进，技术日臻完善。船用燃气轮机技术发展方向主要有以下几个方面。

1.提高燃气轮机参数，改进部件设计，提高简单循环机组性能，由于舰船对高性能燃气轮机的需求，近20 年来推出了多型大功率高效燃气轮机组。通过提高初温和压比、改进部性能等措施，在简单循环下机组效率超过40%，如GE公司的LM6000PC、R-R公司的MT30等。在推出新机组的同时，各大公司不断提高原有机组的性能。

2.采用先进的复杂循环，提高机组性能采用回热循环、间冷－回热循环等复杂循环，是提高燃气轮机性能的另一条途径。对于低压比小功率船用燃气轮机，通过增加回热器形成回热循环来提高效率；对于高压比三转子大功率船用燃气轮机，增加中间冷却器和回热器形成间冷回热循环，可增大功率、提高效率。

3.采用燃蒸联合循环，提高装置的功率和效率在燃气轮机后增加一个利用排气热量的余热利用回路，用来产生蒸汽并使它在蒸汽轮机中做功，然后蒸汽轮机与燃气轮机并车驱动螺旋桨。这种燃蒸联合装置可明显地提高装置的输出功率和效率。燃蒸联合循环的效率将达到45%～50%，在使用低压蒸汽时，整个系统的能量利用率高达80%。

4.燃气轮机发电模块是未来舰船燃气轮机的主要应用方向综合电力系统是今后舰艇动力的发展方向，其主要特点是将推进动力与电站动力合二为一，为舰船装备高能武器奠定电能基础。综合电力系统对电站总功率的需求大幅度增加，这就要求单台发电机组的功率成倍增长，传统意义上的柴油机发电机组已不能满足这种变化要求。燃气轮机单机功率大、输出转速高，特别适合作为综合电力系统的原动力.5.低NOx排放燃烧室的研制对陆地和空中推进装置日益严格的排放要求，未来舰船的主动力装置应满足今后的排放法规，以保证舰船在世界各国港口均能顺利入港。通常用于陆基燃气轮机的干式低排放系统采用贫预混燃烧室，但是这些装置大多数是以气态燃料运行而不是使用馏出油。英国罗尔斯·罗伊斯公司正承担一项计划，根据贫预混预气化(LPP)原理生产使用馏出燃油的液体干式低排放系统。此项工作已证明，在高功率下可以使NOx排放减少到是常规扩散火焰技术的10%。

参考文献：

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